Utilization of friction in horizontal joints of load-bearing walls made of solid wood elements

Massiivipuuelementtirakentaminen, eli CLT- ja LVL-rakentaminen, on yleistynyt Suomessa huomattavasti tällä vuosituhannella. Koska rakennustekniikat ja -materiaalit ovat uusia, ei niille ole muodostunut vielä tarkkoja suunnittelunormeja tai -käytäntöjä. Nykyisillä suunnittelukäytännöillä massiivipuukerrostaloihin vaikuttavat vaakavoimat edellyttävät järeitä vaakaliitoksia. Ankkuroitavaa vaakavoimaa voitaisiin vähentää massiivipuuelementtien välisellä kitkavoimalla. Tämän diplomityön tarkoituksena oli tutkia kitkan olemassaoloa ja suuruutta kantavien CLT- ja LVL-seinäelementtien välillä sekä miten kitkavoima voidaan hyödyntää kantavien seinien vaakaliitosten suunnittelussa ankkuroinnin vähentämiseksi. Työn tavoitteena on ollut selvittää, kuinka suuri osa välitettävästä leikkausvoimasta voidaan siirtää kitkaa hyödyntäen elementiltä toiselle. Työssä perehdyttiin massiivipuuelementtirakentamiseen, sen vaakaliitostekniikoihin ja vaadittuihin mitoitustarkasteluihin. Vertailun vuoksi tutustuttiin, miten vaakasuuntaisia leikkausvoimia ankkuroidaan muilla rakennusmateriaaleilla. Alan kirjallisuudesta ja tutkimuksista selvitettiin kitkan toimintaa yleisellä tasolla sekä kitkan toimintaa puupinnoilla. Kirjallisuudesta havaittiin, että puupintojen kitkan suuruuteen vaikuttavat monet samanaikaiset tekijät, kuten puun kosteuspitoisuus, syiden suunta liukusuuntaan nähden ja normaalivoiman aiheuttama puristusjännitys kontaktipintaan. Työn kokeellisessa osuudessa kitkaa tutkittiin laboratorio-olosuhteissa neljällä eri materiaaliparilla: LVL-LVL, CLT-LVL, CLT-CLT ja LVL-teräs. Tutkimuksessa selvitettiin, miten kappaleiden välisen puristusjännityksen nostaminen vaikuttaa materiaalien välisiin kitkakertoimiin. LVL-kappaleiden kitkaa vertailtiin myös syiden suunnan perusteella. Koekappaleiden puristusjännitykset olivat välillä 1…10 N/mm2. Kitkakertoimien verrannollisuutta puristusjännitykseen arvioitiin tilastollisesti regressioanalyysin avulla. Tutkimuksen tulosten mukaan koemateriaalien kitkakertoimet pääsääntöisesti laskivat puristusjännityksen noustessa. Regressioanalyysin perusteella LVL-teräs-parin kitkakertoimissa havaittiin selkeimmät korrelaatiot puristusjännityksen nousun suhteen. Kitkakertoimien arvojen muutoksiin arvioitiin vaikuttavan kontaktipintojen rakenteiden muodonmuutokset. Tässä tutkimuksessa määritetyt kitkakertoimien arvot asettuivat välille 0,13…0,49.Solid-wood element construction, or CLT and LVL, construction has significantly become more common in Finland in this millennium. However, construction techniques and materials are new, detailed design codes or principles have not yet been created. Horizontal forces that affect solid-wood multi-storey buildings require heavy horizontal joints with present design practices. Such horizontal forces, which need to be anchored, could be reduced by using a friction force between solid-wood elements. Aim of this master’s thesis was to study the existence and the amount of friction between load-bearing CLT and LVL wall elements and whether the friction force can be utilized in the design of the horizontal joints of load-bearing elements to reduce the need of anchoring. Aim of the master’s thesis was to observe the quantity of shear that can be transferred by utilizing the friction to an element to another. This thesis investigates solid-wood element construction, horizontal joint techniques and the required design checks. Furthermore, the anchorage of horizontal shear forces in solid wood was compared with those of other materials. The performance of friction in general and on wood surfaces was based on prior literature and research in the field. It was observed in the literature that many simultaneous factors affect the size of friction on wood surfaces, such as the moisture content of wood, grain direction in relation to the sliding direction and the compression stress of the contact surface caused by normal force. The friction was studied in laboratory conditions in the experimental part of the thesis with four material couples: LVL-LVL, CLT-LVL, CLT-CLT and LVL-steel. The study determined the effect on friction coefficients between materials by increasing compression stress. The friction between the different LVL specimens was also compared based on grain direction. The compression stresses of test specimens were between 1…10 N/mm2. The proportionality of friction coefficients to compression stress was evaluated by using a regression analysis. The results of the research suggest that the friction coefficients of the test materials generally decreased as compression stress increased. The most significant correlation between the friction coefficients and the rise of compression stress was observed in the LVLsteel couple based on the regression analysis. The results suggest that deformations in the structure of the contact surfaces affect the variation in the values of the friction coefficients. The friction coefficients were observed to be between 0.13 and 0.49 in this research